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用于中子管的数控高压脉冲电源的研制

2020-12-08阅读(657)

用于中子管的数控高压脉冲电源的研制

论文摘要

中子管是一种电可控的中子源,与其他中子源相比较,它成本低,重量轻,操作维护简单,防护容易,适于现场流动式检测。中子管可以运行在直流、快脉冲、快-慢脉冲状态。通过中子管离子源数控高压脉冲电源可以控制脉冲发射的频率、宽度和中子产额,以满足实际应用需求。中子管离子源高压直流电源采用反激拓扑与Cockroft-Walton倍压整流电路级联结构进行设计。为实现离子源电源输出电压稳定以及可调,利用ICM7555芯片产生开关管驱动信号和高频运放HA17358设计TYPEI型电压反馈网络,实现02.5V外部输入电压对应02000V电源输出电压。设计MOSFET栅源两端电容参数,降低MOSFET漏源两端开通和关断电压尖峰,解决2kV直流电源从零起调阶段变压器发出异响的问题。采用PC40材质EI33型号磁芯绕制反激式高频高压变压器,其初级输入电压为24V,次级最高输出电压600V,工作频率40kHz。采用2阶4倍压整流结构实现2kV直流电压输出,为进一步减小电源纹波,对2kV直流电压进行一阶RC低通滤波,降低电源输出电压的交流成分,提高中子产额稳定性。同时设计负载电流检测电路与基准电压源电路,实现电源的过流保护。为实现中子管工作在脉冲模式,采用多管串联IGBT推挽结构对2kV直流电压进行斩波。与传统上下桥臂单管斩波方案相比,多管串联结构降低了单管IGBT的电压应力和成本。利用MAX4428芯片将一路PWM转换成两路不带死区时间的互补PWM,设计RCD硬件延迟电路改变互补PWM下降沿时间,经过74HC14反相施密特触发器高低阈值比较后,可输出3路死区时间可调的互补PWM波,避免上下桥臂开关管直通。应用高速数字电路使得上下三路PWM驱动信号上升沿延迟时间在100ns以内,减小上下桥臂串联IGBT开通和关断的延迟时间差,降低IGBT漏源两端承受过电压的时间,提高电路运行的可靠性。由于IGBT导通和关断的特性不同,上下桥臂IGBT漏极和源极之间的电压在串联工作时分配不均衡,设计由阻容和瞬态抑制二极管组成的静态和动态均压网络,解决IGBT静态和动态开关过程中耐压不足的问题,并给出电压均衡网络参数的选择和计算方法。通过Saber开关电源软件仿真,分析引线分布电感参数对脉冲尖峰电压的影响以及均压网络电容参数和阻尼电阻对脉冲尖峰电压的抑制作用,并通过实际电路测试,验证原理分析的正确性。在满足2kV脉冲电压上升沿时间小于2μs的情况下,通过设计上桥臂阻尼电阻参数和负载端脉冲尖峰电压阻容吸收网络,将2kV脉冲尖峰电压过冲百分比从33.1%降低到14%以下。使用STM32F103ZET6芯片和轨至轨运放TLV2374设计核心控制板和驱动板电路完成高压直流电源的电压电流采集和调节。为提高离子源直流电源调节精度,设计二阶无源低通滤波器完成PWM波到直流信号的转换,用来调节离子源直流电源电压输出。利用LABVIEW开发平台设计上位机界面,完成对直流电源电压电流参数的监控功能以及对脉冲电源触发信号频率、脉宽的调节功能。为确保通信的可靠性,在上位机中加入自定义通信协议,利用LABVIEW字符串匹配控件设计通信协议数据头诊断程序,防止通信数据包解析错误。本文开发的中子管数控高压脉冲电源测试结果如下:在直流工作模式下,直流电源输出电压可在02000V范围内连续可调,最大输出功率为40W,输出电压稳定性小于等于0.2%,整体纹波电压比小于0.01%,效率最高可达78.96%;控制板电压和电流采集精度分别为1V和5μA;在脉冲模式下,脉冲电源工作频率可在020kHz范围内连续调节,最小脉宽为10μs,2kV脉冲电压上升沿时间和下降沿时间小于2μs,脉冲尖峰电压过冲百分比为13.1%,满足脉冲中子发生器进行元素分析的需求,性能良好。该设备目前运用于中国原子能科学研究院防水型脉冲中子发生器项目中,运行良好,满足项目总体要求。

论文目录

  • 中文摘要
  • 英文摘要
  • 第一章 引言
  •   1.1 中子管结构原理
  •   1.2 脉冲功率技术概述
  •   1.3 基于固态开关的脉冲功率技术国内外研究现状
  •     1.3.1 国外研究现状
  •     1.3.2 国内研究现状
  •     1.3.3 串联开关脉冲电源存在的主要问题
  •   1.4 研究目的和研究意义
  •   1.5 论文主要研究内容
  •   1.6 论文工作安排
  • 第二章 功率脉冲开关器件IGBT性能参数分析
  •   2.1 带寄生参数的IGBT等效电路
  •   2.2 IGBT输出特性
  •   2.3 IGBT开关特性
  •   2.4 其他因素对IGBT使用的影响
  •   2.5 本章小结
  • 第三章 2kV高压直流电源电路设计
  •   3.1 主电路拓扑
  •     3.1.1 工作方式选取
  •     3.1.2 MOSFET驱动电路设计
  •     3.1.3 PWM产生电路
  •   3.2 电压控制环路设计
  •     3.2.1 控制环路工作方式分析
  •     3.2.2 电压控制环路参数设置与分析
  •   3.3 高频高压变压器设计
  •     3.3.1 选定原边感应电压
  •     3.3.2 选取原边电流波形参数
  •     3.3.3 变压器磁芯选定方式
  •     3.3.4 AP法参数设计
  •   3.4 倍压电路参数设计与分析
  •     3.4.1 C-W二倍压整流原理
  •     3.4.2 多级C-W倍压整流电路参数设计
  •   3.5 输出端滤波电路设计
  •   3.6 本章小结
  • 第四章 高压脉冲电源设计
  •   4.1 脉冲电源的实现方式
  •     4.1.1 变压器式脉冲电源
  •     4.1.2 单端式脉冲电源
  •     4.1.3 推挽式脉冲电源
  •   4.2 PWM驱动信号电路设计
  •     4.2.1 互补PWM电路设计
  •     4.2.2 PWM死区时间电路设计
  •   4.3 IGBT隔离驱动电路性能比较与设计
  •     4.3.1 光电耦合隔离驱动电路
  •     4.3.2 电磁耦合隔离驱动电路
  •     4.3.3 电容耦合隔离驱动电路
  •   4.4 串联IGBT电压均衡和脉冲尖峰电压吸收
  •     4.4.1 静态和动态电压均衡网络参数的计算
  •     4.4.2 线路分布电感对脉冲尖峰电压过冲的影响
  •     4.4.3 均压电容和阻尼电阻对尖峰电压的抑制作用
  •     4.4.4 脉冲尖峰电压吸收网络的参数设计
  •   4.5 本章小结
  • 第五章 脉冲电源控制系统软硬件设计
  •   5.1 脉冲电源控制系统总体设计结构
  •   5.2 控制板和驱动板电路设计
  •     5.2.1 主控芯片选型
  •     5.2.2 辅助供电电源设计
  •     5.2.3 PWM转 DA电路设计
  •     5.2.4 RS485 隔离通信电路
  •     5.2.5 电压电流采集电路设计
  •   5.3 脉冲电源控制系统软件设计
  •     5.3.1 通信模块程序设计
  •     5.3.2 监控与调试模块程序设计
  •     5.3.3 数据存储模块程序设计
  •   5.4 本章小结
  • 第六章 实验测试结果与分析
  •   6.1 2kV高压直流电源性能测试与分析
  •     6.1.1 电源启动特性测试
  •     6.1.2 电压电流采集电路测试
  •     6.1.3 空载功率和带载能力测试
  •     6.1.4 输出电压稳定度测量与计算
  •     6.1.5 电源效率测量与计算
  •     6.1.6 纹波测量与分析
  •   6.2 2kV高压脉冲电源性能测试结果分析
  •     6.2.1 电容耦合隔离后驱动信号延迟时间测试分析
  •     6.2.2 IGBT驱动信号死区时间波形测试与分析
  •     6.2.3 带负载时的脉冲波形测试分析
  •     6.2.4 高压脉冲电源带中子管负载测试
  •   6.3 本章小结
  • 第七章 总结与展望
  •   7.1 总结
  •   7.2 对中子管数控高压脉冲电源的展望
  • 参考文献
  • 附录1
  • 附录2
  • 致谢
  • 在学期间主要科研成果

    • 文章来源

    类型: 硕士论文

    作者: 杨智清

    导师: 乔双

    关键词: 中子管,反激拓扑,串联,推挽式结构,脉冲电源

    来源: 东北师范大学

    年度: 2019

    分类: 基础科学,工程科技Ⅱ辑,信息科技

    专业: 物理学,核科学技术,电力工业,电信技术

    单位: 东北师范大学

    分类号: TN86;O571.53

    总页数: 86

    文件大小: 12536K

    下载量: 175

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